變電站數(shù)據(jù)在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計

孟飛,王宇龍，蔡建文,張美鳳，錢榮,茆新宇

(1.常州工學(xué)院電氣與光電工程學(xué)院，江蘇常州213032；2.中國兵器工業(yè)信息中心，北京100089；3.江蘇久創(chuàng)電氣科技有限公司，江蘇常州213164)

變電站數(shù)據(jù)在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計

孟飛1,王宇龍2，蔡建文1,張美鳳1，錢榮3,茆新宇1

(1.常州工學(xué)院電氣與光電工程學(xué)院，江蘇常州213032；2.中國兵器工業(yè)信息中心，北京100089；3.江蘇久創(chuàng)電氣科技有限公司，江蘇常州213164)

設(shè)計變電站數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、觸摸屏、GPRS通信模塊和工控機(jī)等組成。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)以ARM處理器為硬件核心?；贚inux嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計模擬量和開關(guān)量的數(shù)據(jù)采集、MODBUS協(xié)議等功能程序。利用組態(tài)軟件開發(fā)工控機(jī)和觸摸屏上的監(jiān)控軟件，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示、存儲和報警等。系統(tǒng)采用MODBUS通信協(xié)議的RS-485接口連接工控機(jī)、觸摸屏和各個數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，通過GPRS通信模塊實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)傳送。系統(tǒng)具有很好的擴(kuò)展性和可靠性，滿足了變電站數(shù)據(jù)采集的多通道、多信號形式和覆蓋范圍廣等要求。

變電站；在線監(jiān)測系統(tǒng)；Linux；MODBUS

電網(wǎng)狀態(tài)在線監(jiān)測的自動化和智能化是智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)，在線監(jiān)測的目標(biāo)既包括骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)，也包括分布廣泛的各類變電站。變電站內(nèi)由于設(shè)備種類和數(shù)量眾多，往往是故障高發(fā)的主要環(huán)節(jié)[1]?，F(xiàn)有變電站內(nèi)的各類設(shè)備、傳感器和檢測儀表通常由不同的廠商提供，輸出信號的形式、接口等不統(tǒng)一，如六氟化硫濃度傳感器既有通過RS-485接口采用協(xié)議輸出，也有采用4～20 mA電流環(huán)信號輸出；空調(diào)、通風(fēng)設(shè)備的控制既有采用MODBUS協(xié)議，也有采用簡單開關(guān)量控制。因此，有必要構(gòu)建一種智能在線監(jiān)測系統(tǒng)，能將各種不同的傳感器、檢測儀表納入其中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一實(shí)時監(jiān)測、報警以及簡單控制。

分析變電站內(nèi)的各類設(shè)備和檢測儀表、傳感器接口信號的形式，主要為以下3類：一是模擬信號形式，如4～20 mA電流環(huán)、0～5V直流電壓信號等；二是基于通信協(xié)議的串行數(shù)據(jù)交換，如采用RS-485接口形式的MODBUS協(xié)議；三是開關(guān)量。本設(shè)計在硬件上兼容了上述3種形式的信號，設(shè)計相應(yīng)的調(diào)理和隔離電路，然后接入以ARM為核心的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)將檢測到的數(shù)據(jù)通過GPRS模塊和MODBUS協(xié)議等方式傳輸給觸摸屏、工控機(jī)以及遠(yuǎn)方數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)報警和數(shù)據(jù)顯示、存儲、交換等功能。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)之間可以相互連接，從而可以擴(kuò)展采集通道數(shù)以滿足不同規(guī)模變電站的需要。

1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)和配置

變電站數(shù)據(jù)在線監(jiān)測系統(tǒng)是典型的分布式、多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖1中虛線部分為一個數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的典型組成，多個節(jié)點(diǎn)之間使用RS-485接口進(jìn)行通信，通信協(xié)議為簡化的MODBUS，節(jié)點(diǎn)數(shù)量可根據(jù)距離和需要輸入的通道數(shù)來配置。每個節(jié)點(diǎn)均具有若干數(shù)量的模擬量輸入通道、開關(guān)量輸入輸出通道、RS-485通信接口等。節(jié)點(diǎn)以ARM處理器為核心，使用Linux作為操作系統(tǒng)，根據(jù)配置循環(huán)調(diào)用AD轉(zhuǎn)換、數(shù)字量輸入輸出、通信處理等程序?qū)崿F(xiàn)對應(yīng)的功能。各個節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)底層傳感器、設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和通信，其中一個主節(jié)點(diǎn)與工控機(jī)、觸摸屏、GPRS模塊等通信，完成數(shù)據(jù)的顯示、存儲和遠(yuǎn)程傳送等。

觸摸屏上運(yùn)行基于組態(tài)軟件開發(fā)的監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場實(shí)時曲線、報警提示、數(shù)據(jù)存儲、參數(shù)設(shè)置和簡單的控制功能。工控機(jī)與觸摸屏上的軟件功能類似，但其運(yùn)算速度、顯示和存儲空間等性能更強(qiáng)，因此可提供更好的數(shù)據(jù)查詢、存儲和更豐富的信息顯示功能，以及打印等功能。觸摸屏和工控機(jī)在系統(tǒng)中可安裝一個或多個，典型的配置是觸摸屏安裝在現(xiàn)場或進(jìn)門處，顯示變電站內(nèi)相關(guān)設(shè)備的實(shí)時參數(shù)、進(jìn)行超限報警等；工控機(jī)安裝在機(jī)架中，配合大屏幕顯示設(shè)備和打印機(jī)等實(shí)現(xiàn)顯示、打印功能。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計

節(jié)點(diǎn)是系統(tǒng)中的核心裝置，節(jié)點(diǎn)間通過RS-485通信接口完成級聯(lián)，經(jīng)過多節(jié)點(diǎn)級聯(lián)后可在距離上、輸入輸出通道的數(shù)量上滿足變電站數(shù)據(jù)采集的要求。節(jié)點(diǎn)的硬件主要由電源電路、主控電路、模擬量轉(zhuǎn)換電路和開關(guān)量輸入輸出電路、通信接口電路等部分組成，采用模塊化設(shè)計方法和隔離等抗干擾技術(shù)，以確保易擴(kuò)展和系統(tǒng)穩(wěn)定。

2.1.1 主控芯片的選擇

主控芯片負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、通信等系統(tǒng)的主要功能，考慮到軟件系統(tǒng)擴(kuò)展的方便，本設(shè)計采用Linux嵌入式操作系統(tǒng)。根據(jù)運(yùn)行Linux對性能的要求以及AD通道、串行口等資源的數(shù)量，主控芯片選用NXP公司的I.MX280工業(yè)級芯片。該芯片以ARM926EJ為核心，主頻為454 MHz，具有8通道12位ADC轉(zhuǎn)換器、6路串口、2路I2C總線接口[2]。通過外擴(kuò)64 MB DDR2內(nèi)存和128 MB NAND FLASH作為運(yùn)行和存儲空間，在資源上和運(yùn)算性能方面完全滿足本系統(tǒng)的要求。該硬件方案所需芯片數(shù)量較少，便于PCB布線，也間接提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.1.2 電源的配置與設(shè)計

電源電路是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，本系統(tǒng)的直流供電電源分別為：觸摸屏24 V、GPRS通信模塊9 V、節(jié)點(diǎn)主電路板中5 V和3.3 V等。其中觸摸屏、GPRS通信模塊的安裝位置和節(jié)點(diǎn)的距離并不固定，且施工時會根據(jù)現(xiàn)場情況添加隔離模塊以提高通信的穩(wěn)定性，因此在電源上也存在隔離的需要，綜合考慮，DC 24 V和DC 9 V采用獨(dú)立的商品開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)。考慮紋波等因素，節(jié)點(diǎn)主電路板而所需的DC 5 V、3.3 V電源采用低壓差線性穩(wěn)壓器LDO實(shí)現(xiàn)。主控電路板的輸入輸出信號、通信接口均采用了光電隔離，因此其電源也必須隔離，通過添加隔離DC-DC模塊實(shí)現(xiàn)。這樣的電源配置方案實(shí)現(xiàn)簡單，也便于設(shè)備通過認(rèn)證測試和維護(hù)。

2.1.3 開關(guān)量輸入輸出的擴(kuò)展

變電站現(xiàn)場一些環(huán)境設(shè)備如通風(fēng)設(shè)備的開啟和關(guān)閉、門禁和報警以及部分閾值型傳感器等通常為開關(guān)量信號。I.MX280中的I/O端口多數(shù)為多功能口，如ADC、串行通信接口等占用的是普通I/O口引腳，導(dǎo)致實(shí)際可使用的I/O口數(shù)量所剩不多，因此需要進(jìn)行擴(kuò)展。本系統(tǒng)采用Phlips公司的PCF8575芯片來擴(kuò)展I/O口，PCF8575是基于I2C總線的16位I/O擴(kuò)展芯片，將其與I.MX280的I2C接口相連[3]。PCF8575的16位I/O口和開關(guān)量輸入信號或繼電器驅(qū)動電路之間添加光電隔離芯片實(shí)現(xiàn)電隔離，考慮輸入輸出通道數(shù)量的不確定性，設(shè)計時將光電隔離芯片和后端輸入保護(hù)電路以及繼電器電路單獨(dú)設(shè)計成多種規(guī)格的擴(kuò)展板，如6輸入6輸出、4輸入12輸出等，這樣方便自由組合以滿足不同要求。

2.1.4 模擬信號輸入電路的設(shè)計

傳感器或變送器直接輸出信號為0～5 V直流電壓或4～20 mA電流環(huán)信號，考慮電壓信號和電流信號的可轉(zhuǎn)換性，同時為確保多個模擬量通道的通用性，在模擬信號輸入通道中首先設(shè)置取樣電阻電路實(shí)現(xiàn)I/V轉(zhuǎn)換，將輸入信號統(tǒng)一為電壓信號。為降低對傳感器回路的影響，加入一級跟隨電路以提高阻抗，然后再進(jìn)入線性光耦進(jìn)行隔離和變換，最后接入主控芯片的ADC輸入引腳。光電隔離采用AVAGO公司的HCNR201線性光耦，模擬量輸入信號的電路原理如圖2所示[4]。

圖2 模擬量輸入通道電路原理圖

圖2中左側(cè)Vin輸入信號可為0～5 V直流電壓或4～20 mA電流環(huán)信號，當(dāng)為電壓信號時取消電流—電壓轉(zhuǎn)換采樣電阻R2。假設(shè)輸入為電壓信號Vin，輸出為Vout，則輸入輸出關(guān)系為

Vout=k(R5/R3)Vin

(1)

式中，k為HCNR201線性光耦中的光電二極管PD1和PD2的電流傳輸增益系數(shù)Ipd2/Ipd1，線性光耦制造完成該系數(shù)就已固定，典型值為1。

2.2 觸摸屏的選型

為便于工作人員了解變電站內(nèi)情況，通常會在變電站入口處設(shè)置數(shù)據(jù)顯示和操作終端。早期常采用自行設(shè)計控制板配合液晶模塊和按鍵的方式來實(shí)現(xiàn)，由于單次生產(chǎn)數(shù)量往往較小，導(dǎo)致其設(shè)計和生產(chǎn)成本均較高。本系統(tǒng)選用昆侖通態(tài)的嵌入式一體化觸摸屏來實(shí)現(xiàn)查詢、顯示等功能，其具備RS-485接口，內(nèi)置的MCGS組態(tài)軟件支持MODBUS協(xié)議，通過MCGS組態(tài)軟件可以方便、快速地開發(fā)人機(jī)界面軟件[5]。

3 監(jiān)測系統(tǒng)軟件的開發(fā)

3.1 軟件功能分析

系統(tǒng)的軟件主要分為三部分，一是節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計，包括ARM處理器端的嵌入式系統(tǒng)配置、數(shù)據(jù)采集和處理、MODBUS通信和GPRS通信模塊收發(fā)程序等；二是工控機(jī)端的系統(tǒng)監(jiān)控程序；三是觸摸屏端的實(shí)時查詢軟件。節(jié)點(diǎn)、觸摸屏和工控機(jī)三者以節(jié)點(diǎn)為中心，通過MODBUS協(xié)議交換數(shù)據(jù)。

3.2 節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計

節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計是本系統(tǒng)研制的關(guān)鍵，采用嵌入式Linux 為操作系統(tǒng)，在配置ADC、串口、I2C和GPIO等相關(guān)資源驅(qū)動程序的基礎(chǔ)上設(shè)計各功能模塊程序，通過循環(huán)調(diào)用各模塊程序完成各功能，軟件流程見圖3。

圖3 節(jié)點(diǎn)軟件流程

3.2.1 模擬量數(shù)據(jù)采集

經(jīng)模擬信號調(diào)理電路后，輸入的模擬信號均統(tǒng)一為0～1.85 V，在I.MX280內(nèi)部ADC可接受的電壓范圍，經(jīng)AD讀取后獲得轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。此時讀取的數(shù)據(jù)是無量綱的中間數(shù)據(jù)，并非實(shí)際的測量值。在實(shí)際工程中，不同通道接入的傳感器的測量范圍、單位等不統(tǒng)一，為了簡化施工和調(diào)試，AD的轉(zhuǎn)換值和實(shí)際的測量值之間的標(biāo)度變換不在節(jié)點(diǎn)軟件中進(jìn)行，而是在觸摸屏和工控機(jī)的組態(tài)軟件中進(jìn)行設(shè)置，修改和調(diào)整會更靈活、方便?？紤]到現(xiàn)場可能存在的干擾，在ARM程序中將連續(xù)5次讀取的數(shù)據(jù)采用去極值取平均的數(shù)字濾波法處理后再存入對應(yīng)的變量組中，以供MODBUS程序讀取。

3.2.2 開關(guān)量輸入輸出

開關(guān)量輸入輸出接口是通過I2C接口擴(kuò)展的，為增強(qiáng)開關(guān)量輸入輸出配置的靈活性，設(shè)置一個16位變量對每個I/O口的方向進(jìn)行配置，該變量通過MODBUS協(xié)議賦值，1代表對應(yīng)端口設(shè)置為輸入，0代表設(shè)置為輸出。通過I2C接口對PCF8575的I/O口進(jìn)行設(shè)置和讀取需要進(jìn)行位到字節(jié)的串并互換，以便與MODBUS中的開關(guān)量命令匹配。

3.2.3 串行通信

節(jié)點(diǎn)之間，節(jié)點(diǎn)和觸摸屏、工控機(jī)之間，節(jié)點(diǎn)和GPRS模塊之間都是依靠串行通信交換數(shù)據(jù)，差別在于具體的通信協(xié)議不同。Linux系統(tǒng)已經(jīng)內(nèi)置了串行通信的底層驅(qū)動，因此設(shè)計工作變得較為簡單，只需先設(shè)置對應(yīng)端口的通信速率、數(shù)據(jù)格式，然后打開端口，進(jìn)行以字節(jié)為單位的基本收發(fā)工作，依據(jù)各端口的連接對象分別按各自的通信協(xié)議進(jìn)行處理。

3.2.4 MODBUS協(xié)議

MODBUS協(xié)議是主從站通信協(xié)議，所有主從站的波特率、校驗(yàn)規(guī)則等參數(shù)應(yīng)嚴(yán)格一致。MODBUS協(xié)議可使用ASCII、RTU兩種模式，本設(shè)計采用RTU模式。MODBUS作為工業(yè)中一個使用較為廣泛的通信協(xié)議，定義了較為豐富的功能碼，本設(shè)計中主要是模擬量的讀取以及數(shù)字量的讀取和寫入，因此只需使用模擬量、數(shù)字量等功能碼，相當(dāng)于MODBUS協(xié)議的簡化或子集。MODBUS的收發(fā)過程是，主機(jī)發(fā)出命令幀(由站點(diǎn)地址、功能碼、數(shù)據(jù)起始地址和數(shù)據(jù)數(shù)量以及CRC校驗(yàn)碼等幾部分組成)，處于監(jiān)聽狀態(tài)的從機(jī)監(jiān)測到命令幀中的地址與本機(jī)地址相同時，開始接收其后的功能碼等信息，根據(jù)功能碼及相應(yīng)的數(shù)據(jù)讀取或設(shè)置從站內(nèi)的相應(yīng)寄存器等操作。從站根據(jù)執(zhí)行的情況向主站反饋應(yīng)答信息，即回復(fù)包含從站地址、功能碼、數(shù)據(jù)長度、具體數(shù)據(jù)和CRC校驗(yàn)碼等信息的應(yīng)答幀。根據(jù)MODBUS協(xié)議的基本要求，將MODBUS協(xié)議的執(zhí)行過程分解為功能碼解析和執(zhí)行、CRC校驗(yàn)碼生成和校驗(yàn)等[6]。

3.3 觸摸屏和工控機(jī)監(jiān)控軟件的開發(fā)

觸摸屏和工控機(jī)上的監(jiān)控軟件均采用MCGS組態(tài)軟件進(jìn)行開發(fā)，該軟件已內(nèi)置MODBUS協(xié)議驅(qū)動，能直接與節(jié)點(diǎn)進(jìn)行MODBUS通信。設(shè)計時首先設(shè)置通信端口參數(shù)，定義各類變量并設(shè)置各變量的地址、采集間隔、模擬量標(biāo)度變換的上下限、報警限以及是否存入數(shù)據(jù)庫等，然后進(jìn)行前端界面的組態(tài)以及腳本程序的編寫。運(yùn)行時，底層通信驅(qū)動程序定時與節(jié)點(diǎn)交換數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫；界面上的趨勢曲線、數(shù)據(jù)框、報警提示等按照組態(tài)時的規(guī)則進(jìn)行顯示；切換到歷史數(shù)據(jù)查詢界面時可改變要查詢的變量和時間段，顯示該時間段的變化曲線等。

4 結(jié)語

本文在分析變電站數(shù)據(jù)監(jiān)測的功能需求和變電站現(xiàn)有設(shè)備的信號形式的基礎(chǔ)上，采用嵌入式操作系統(tǒng)Linux、工控組態(tài)軟件和微控制器等主流成熟技術(shù)，根據(jù)模塊化設(shè)計方法研制了變電站數(shù)據(jù)在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)清晰、可靠性高、擴(kuò)展容易和維護(hù)方便等特點(diǎn)，數(shù)據(jù)既可以通過計算機(jī)就地存儲和觸摸屏顯示，也可通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，不僅滿足了變電站的實(shí)時數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制的需求，而且能滿足其他無人值守場合的數(shù)據(jù)采集和控制。

[1]譚建群，歐陽帆，陳宏.智能變電站技術(shù)和管理現(xiàn)狀分析及發(fā)展方向設(shè)想[J].湖南電力，2013，33(7)：5-8.

[2]廣東致遠(yuǎn)電子股份有限公司.ARM9嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計指南[EB/OL].[2016-06-18].http://www.zlg.cn.

[3]張露，章國寶.開關(guān)柜智能監(jiān)控裝置的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)控制計算機(jī)，2014，27(1)：39-41.

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[5]李紅萍.工控組態(tài)技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：西安電子科技大學(xué)出版社，2013.

[6]孟飛，單建華，丁晨，等.基于FPGA 和Modbus 協(xié)議的通用數(shù)據(jù)采集裝置設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2014(12)：45-46.

責(zé)任編輯：楊子立

An Online Data Monitoring System for Substation

MENG Fei1,WANG Yulong2,CAI Jianwen1,ZHANG Meifeng1,QIAN Rong3,MAO Xinyu1

(1.School of Electrical and Photoelectronic Engineering,Changzhou Institute of Technology,Changzhou 213032;2.Information Central of China North Industries Group Corp,Beijing 100089;3.Jiangsu Jiuchuang Electrical Technology Co.,Ltd.,Changzhou 213164)

The online data monitoring system for substation designed consistes of data acquiring node,touch screen,GPRS module and industry computer,etc..The hardware for data acquiring node uses ARM processor as its core,and the software is based on Linux operating system for function program designing like analog converting,digital input and output,and Modbus protocol,etc..Monitoring programs for the industry computer and touch screen are designed by confiuration software to realize real-time data display,data storage and warning.Parts of the system such as industry computer,touch screen and data acquiring node are connected through Modbus and RS-485 interface.Data communication between data acquiring node and data center is realized by the GPRS module.The system has better expansibility and realibility and can satisfy the multi-channel,varied signal type and wide area data acquiring demands by substations.

substation;online data monitoring system;Linux;Modbus

10．3969/j．issn．1671-0436．2016．05．006

2016- 09- 18

江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目(13KJD460001)

孟飛(1979— )，男，碩士，講師。

TM76

A

1671- 0436(2016)05- 0026- 04